硼酸盐紫外双折射晶体研究取得新进展
近期，中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心在硼酸盐紫外双折射晶体研究方面取得进展。科研团队创新性地提出了互补氢键优化π共轭基元排列的策略，成功设计合成出一例新型羟基氟化硼酸硝酸盐晶体Cs2[B3O3F2(OH)2](NO3)·[B3O3(OH)3]，具有碱金属/碱土金属氟化硼酸盐中最大的双折射。该研究为开发新型硼酸盐紫外光学晶体提供了新思路。
双折射是晶体材料对偏振光表现出各向异性折射率的重要光学性质，在集成光调制器、电光开关及非线性光学频率转换等现代光电技术中具有关键作用。然而，双折射通常依赖于阴离子功能基元本身的极化率各向异性及其排列方式。因此，筛选具有大极化率各向异性的阴离子基元并使其一直排列是设计双折射晶体的核心思路。硼酸盐因其丰富的结构化学和优异的光学性能成为紫外/深紫外波段光学晶体设计的优选体系。
研究团队提出利用π共轭基元之间的互补氢键作用实现局域平行排列的策略，将具有多羟基的孤立平面基元[B3O3(OH)3]和[B3O3F2(OH)2]进行组装，成功设计并获得Cs2[B3O3F2(OH)2](NO3)·[B3O3(OH)3]。其阴离子框架通过氢键导向组装三种不同的孤立π共轭构建块构建：[B3O3(OH)3]、[B3O3F2(OH)2]和[NO3]。互补氢键相互作用克服了排列这些不同π共轭基元的内在困难，使其完全平行排列。这种一致的共面排列使其在碱金属/碱土金属硼酸盐中产生了创纪录的高双折射率（Δn = 0.149@546 nm），超越了商用α-BaB2O4，同时实现了5.82 eV的大带隙，非常适合紫外应用。第一性原理计算证实，平面π共轭基团主导了大的光学各向异性，而氢键网络对于共面排列至关重要。Cs2[B3O3F2(OH)2](NO3)·[B3O3(OH)3]通过利用互补氢键相互作用定向组装多样π共轭单元，建立了高性能双折射晶体工程的新范式。
相关研究成果以全文形式发表在Small上（Small2025, DOI: 10.1002/smll.202511399），新疆理化所是唯一通讯单位，晶体材料研究中心潘世烈研究员、韩树娟研究员和米日丁·穆太力普研究员为通讯作者，博士研究生牛汝意为第一作者。该研究工作得到天山创新团队项目、中国科学院青年交叉团队项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项及新疆维吾尔自治区重大科技专项等项目的资助。
图：互补氢键调控下的π共轭层状结构实现双折射的大幅提升
